CN203951357U - 半导体元件的电力转换器保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种半导体元件的电力变换器保护装置。在发生相短路的串联半导体元件端子间设置异常电压情况下穿通或击穿的半导体元件和熔断器的串联体和由异常电压的检测器输出所触发的半导体开关元件和熔断器的串联体。本实用新型采取并联式结构，增加了电力转化器电路的稳定性和可靠性，既可以防止电源短路事故时发生的模块式半导体元件开路损坏造成事故损害，还可以避免电力变换器成本升高或变换效率下降。

Description

半导体元件的电力转换器保护装置

技术领域

本实用新型涉及一种用IGBT或功率晶体管等模块式半导体元件将直流变换为交流或进行其逆变换的电力变换器的保护装置。

背景技术

近年来，电动车控制装置大多采用用到GTO、IGBT、功率晶体管等半导体开关元件的逆变器或变换器等电力变换器。这当中，采用用到IGBT或功率晶体管等模块式半导体开关元件的电力变换器（例如逆变器）的电动车，往往因该逆变器相短路等电源短路事故所产生的过大电流，造成模块内的焊锡连接部剥离，半导体开关元件形成开路故障。造成这种开路故障的相短路电流均达到几万至十几万安培，焊锡连接部开路时，外围器件随弧光放电而损坏，甚至形成火灾等事故波及损害问题。

一种解决措施是在逆变器各相支路中接入高速熔断器。该高速熔断器，记载的是防止电源短路等造成元件损坏而引起模块元件外壁破裂的器件，利用高速熔断器连接使配线电感增加或此用途的减振设置。

上述现有技术可考虑到存在以下问题，需要某种通电容量的大容量高速熔断器，该熔断器成本相对较高，而且，熔断器本身的内部电感、其装配所用的配线电感增加，造成半导体开关元件减振加强、由此损耗增加，故而电力变换器成本升高、变换效率差。

发明内容

鉴于上述问题，对用到模块式半导体元件的电力变换器，利用简单构成实现一种针对电源短路事故等引起上述模块式半导体元件开路损坏造成的事故波及损害的保护装置，防止电力变换器整体成本上升、变换效率下降。

本实用新型的技术方案如下：

一种半导体元件的电力变换器保护装置，其包括第一保护部件、第二保护部件，所述第一保护部件、第二保护部件并联连接；

所述第一保护部件在直流电源两端作为1相的上下分支连接有串联连接的模块式半导体元件，该元件的串联连接点具有交流输出端子，所述串联连接的模块式半导体元件的两端，并联连接着超过规定电压便击穿或穿通而处于导通状态的半导体元件和熔断器的串联体；

所述第二保护部件在直流电源两端作为1相的上下分支连接有串联连接的模块式半导体元件，该元件的串联连接点具有交流输出端子，所述串联连接的模块式半导体元件的两端，并联连接着因该模块式半导体元件过大电流便形成开路故障时的异常电压而受到触发控制的晶闸管元件和熔断器的串联体。

本实用新型的有益效果为：采取并联式结构，增加了电力转化器电路的稳定性和可靠性，既可以防止电源短路事故时发生的模块式半导体元件开路损坏造成事故损害，还可以避免电力变换器成本升高或变换效率下降。

附图说明

图1为本实用新型的半导体元件的电力变换器保护装置的电路原理图。

具体实施方式

本实用新型的半导体元件的电力变换器保护装置包括第一保护部件、第二保护部件，所述第一保护部件、第二保护部件并联连接；

所述第一保护部件在直流电源两端作为1相的上下分支连接有串联连接的模块式半导体元件，该元件的串联连接点具有交流输出端子，所述串联连接的模块式半导体元件的两端，并联连接着超过规定电压便击穿或穿通而处于导通状态的半导体元件和熔断器的串联体；

所述第二保护部件在直流电源两端作为1相的上下分支连接有串联连接的模块式半导体元件，该元件的串联连接点具有交流输出端子，所述串联连接的模块式半导体元件的两端，并联连接着因该模块式半导体元件过大电流便形成开路故障时的异常电压而受到触发控制的晶闸管元件和熔断器的串联体。

具体结合附图进一步说明，如下：

1是由未图示直流电源所连接的架线向电动车供电的导电弓架，2为断流器，3为下一级滤波电路的充电电阻（或限流电阻），4为高速断路器。5是上述滤波电路的电抗器，与后面提及的各相分别设置的电容器构成LC滤波器。6、7、8相应于靠未图示PWM控制电路对模块式半导体元件进行开关，由直流变换为2电平电位的3相交流或进行其逆变换的2电平3相逆变器以构成电力变换器的U相、V相、W相的各变换器，其具体电路在U相变换器6示出。

61、62是构成2电平逆变器上下分支的模块式半导体元件IGBT，63为按每一相分别配置的滤波电容器。该电容器63通常充电具有架线电压，成为U相变换器6的电源电压。该滤波电容器电压同样对于V相、W相分别为各自的电源电压。64、65是连接上述IGBT、滤波电容器构成变换器时产生的配线电感等。这里，662、672是与本实用新型相关联部分，662是在规定电压下击穿或穿通而处于导通状态的半导体元件，672为熔断器。上述两者串联连接，该串联体与串联连接的IGBT61、62的两端并联连接。

而68是串联连接的IGBT61、62的连接点所连接的U相交流输出端子，和其他V相、W相交流输出端子78、88一起与作为逆变器负载的3相感应电动机（图中省略）连接。

如上所述构成的逆变式电动车中，由于例如噪声误动作、元件损坏等原因，U相变换器6的上下分支IGBT61、62均处于导通状态的话，便形成上述滤波电容器63短路这种电源短路事故。

但该U相滤波电容器63通过配线电感64、65与其他V相、W相连接。一般来说，各相配线电感较小，低于几μH，因此U相滤波电容器的电源短路，立即发展成V相、W相滤波电容器也短路的电源短路事故。因此，造成电源短路事故的U相上下支路IGBT61、62所流的电源短路电流，对于架线电压高的电动车均达到十几万至几十万安培，IGBT模块内的焊锡连接部剥落，该IGBT元件往往形成开路故障。而且，该焊锡连接部开路时伴有弧光放电，因而外围器件随情形有损坏，或形成火灾等事故波及损害方面的问题。因此，以往提出如上所述在逆变器各相分支中接入熔断器、防止元件损坏造成开路故障的方案，由于流过的是通常电流，因而熔断器需要有规定电流容量，成本升高，以及随着安装熔断器不得不由于配线电感增加而增强元件的减振，因此存在所发生的损耗增加等问题。本实用新型与上述现有例相同，并不能防止元件损坏造成的开路故障，而是防止该开路故障时所发生的弧光放电造成外围器件损坏或火灾等事故波及。

接下来说明图1实施例中实用新型部分的动作和作用。若U相上下支路的IGBT61、62由于噪声误动作等均处于导通状态的话，便如前文所述有十几万至几十万安培的电源短路电流流过，上述配线电感64、65等存储有基于电源短路电流的能量。而流过上述电源短路电流的IGBT61、62模块内，由于该过大电流产生的焦耳热使焊锡连接部剥离，这些IGBT元件便形成开路故障。IGBT元件（61或62单独，或61和62两者）的开路状态，便变成对上述电源短路电流不适当的切断，其开路端子间便发生上述配线电感64、65等存储的能量引起的弧光放电。

图l所示的本实用新型实施例，利用随上述弧光放电所产生的异常电压，靠在该异常电压下击穿或穿通而处于导通状态的半导体元件662，通过与处于上述开路状态的IGBT61、62并联接入熔断器672来抑制上述弧光放电产生，并且用熔断器672消耗上述配线电感所存储能量。

具体来说，发生开路故障的IGBT元件的弧光放电能量分流至在该异常电压下处于导通状态的半导体元件662和熔断器672的串联电路，在该分流作用使弧光放电受到抑制的状态下进行到IGBT元件损坏部位的开路，弧光放电能量便立即全部转移流过上述串联电路的场合，IGBT元件损坏部位的开路动作和弧光放电便停止。而对于全部转移流过上述弧光放电能量的熔断器672来说，加上在此之前熔断器内所消耗能量，该值超过熔断器672焦耳能量便开始熔断，通过在熔断器内消耗上述弧光放电能量，来防止熔断器672本身的弧光放电。靠以上动作和作用，可防止IGBT元件开路损坏引起的事故波及损害。

进一步的,本实施例的半导体元件661和熔断器671，其特征在于，逆变器通常动作时没有电流流过，因而可以为小容量、低成本器件，而且不需要在分支内连接，因而配线电感增加，损耗未增加等。而且，上述半导体元件661采用所谓的穿通元件作为在规定电压下穿通处于导通状态的元件，或采用二极管作为在规定电压下击穿处于导通状态的元件，其电压容量选取为超过构成逆变器分支的元件通常所加上的最大峰值电压。

图1所示，与熔断器串联连接的半导体元件替换为晶闸管元件，并设有使该晶闸管元件导通的控制电路。具体来说，该实施例中，661为晶闸管元件，69为该晶闸管661的控制电路，该控制电路69由异常电压检测器691和晶闸管元件控制极电路692构成。该实施例由异常电压检测器691检测上述电源短路事故中IGBT61、62开路故障时产生的异常电压，由该异常电压检测器691的输出驱动晶闸管元件控制极电路692，使晶闸管元件661导通，也就是说使之处于导通状态，以构成晶闸管元件661和熔断器671的串联电路，靠上述图l实施例中详细说明的动作，来抑制发生了开路故障的IGBT造成弧光放电，防止外围器件损坏或火灾等事故波及。

按照如上所述图1本实用新型一实施例，在用到模块式半导体元件的电力变换器中，其效果在于，可利用简单构成针对电源短路事故时所发生的所述模块式半导体开关元件开路损坏引起的的事故波及损害实现一保护装置，可防止包含该保护装置的电力变换器整体随之而来的成本升高或变换效率下降。同时，采取并联的结构，在两种保护装置的作用下，整个电路的稳定性得到了很大的提高。

惟以上所述者，仅为本实用新型的较佳实施例而已，举凡熟悉此项技艺的专业人士。在了解本实用新型的技术手段之后，自然能依据实际的需要，在本实用新型的教导下加以变化。因此凡依本实用新型申请专利范围所作的同等变化与修饰，都应仍属本实用新型专利涵盖的范围内。

Claims (1)

1.一种半导体元件的电力变换器保护装置，其特征在于，包括第一保护部件、第二保护部件，所述第一保护部件、第二保护部件并联连接；

所述第一保护部件在直流电源两端作为1相的上下分支连接有串联连接的模块式半导体元件，该元件的串联连接点具有交流输出端子，所述串联连接的模块式半导体元件的两端，并联连接着超过规定电压便击穿或穿通而处于导通状态的半导体元件和熔断器的串联体；

所述第二保护部件在直流电源两端作为1相的上下分支连接有串联连接的模块式半导体元件，该元件的串联连接点具有交流输出端子，所述串联连接的模块式半导体元件的两端，并联连接着因该模块式半导体元件过大电流便形成开路故障时的异常电压而受到触发控制的晶闸管元件和熔断器的串联体。